核工业管道机器人驱动系统设计

2020-05-08姜玉涛王宝迪张博文徐鹏程

科学技术创新 2020年8期

姜玉涛王宝迪张博文徐鹏程李洋

（1、黑龙江新诺机器人自动化有限公司，黑龙江哈尔滨150000 2、中国核工业二三建设有限公司，北京100000）

1 核工业管道机器人简介

核电站回路系统起到输送核反应堆冷却剂的作用。回路系统一旦泄露，会导致整个核反应堆的冷却水泄漏，并伴随着放射性物质的泄漏，引发核安全事故。而整个回路系统中最为薄弱的环节在于压力边界中的管道焊缝[1]。由于回路系统中介质的材质复杂，极易在焊缝处产生热疲劳效应，从而影响焊缝质量。因此对管道焊缝的打磨抛光是有效消除热疲劳效应的手段，本文所介绍的核工业管道机器人主要用于核电站回路系统内部管道焊缝打磨。

2 核工业管道机器人控制系统

核工业管道机器人的控制系统由机器人本体端、遥控端及连接线缆构成。目前，实现管道机器人控制主要有两类方法：有线控制和无线控制[2]。无线控制有无需布线等优点，但机器人用于金属管道内作业时，无线信号衰减严重，系统稳定性差。因此，本文设计的核工业管道机器人采用有线方式连接机器人，对机器人供电，并交互控制信号与反馈信息。

2.1 管道机器人本体端控制系统

电机驱动系统用于接收现场机器人主控系统发出的速度指令信息，驱动相应的电机，执行指令动作，机器人上的电机驱动系统主要包括爬行控制电机驱动系统、圆盘旋转控制电机驱动系统、径向进给控制电机驱动控制系统和打磨电机驱动控制系统，驱动控制系统如图1 所示。所驱动的电机参数如下表所示。

图1 驱动系统控制图

现场机器人内部电机及参数列表

爬行驱动和圆盘旋转采用的为DC24V 的BLDC 电机，这两款BLDC 电机为三项梯形波绕组，换相反馈为数字霍尔传感器，故采用门级驱动IC DRV8323 控制三个MOSFET 全桥，分别连接电机绕组的三个输出端，通过六步换相法对电机进行驱动控制，门级驱动IC 的速度指令信号来自主控MCU 的定时器输出的PWM波，通过调节占空比来控制电机转速。为了精确的控制电机转速，电机安装有1000pulse/r 的编码器作为反馈，此反馈给主控MCU 的IO 引脚[3]。

径向进给采用直流有刷电机驱动，选用DRV8841 有刷电机驱动IC，最大驱动电流2.5A，均方根电流1.75A，电压范围DC8.2V～DC45V，速度控制指令为PWM波，有刷电机驱动电路如图2所示。打磨电机为直接直流电源驱动，通过主控系统GPIO 经功率放大后驱动固态继电器控制其启停。

图2 直流有刷驱动部分电路图

驱动控制系统主要由以下部分构成。

主控模块：机器人控制系统的核心，与遥控端通信，一方面根据遥控端的指令下发控制信号到驱动器，另一方面收集作业模块的反馈信息回传给遥控端做相应显示；

爬行电机驱动模块：负责驱动管道爬行器驱动轮电机，实现机器人在管道内壁的前进与后退；

旋转圆盘电机驱动模块：负责驱动周向旋转圆盘电机，该驱动器兼容γ 射线检测模块和焊缝打磨模块的圆盘电机，更换功能模块时只需更换各自航空插头，不影响电机工作；

限位装置控制模块：连接于主控和限位装置之间，将限位装置获得的位置信号反馈到主控模块；

电源转换模块：实现直流24V 转12V，为供电电压为12V的摄像头供电；

485 通信模块：实现主控与遥控端的通信，RS485 接口通信距离最大可达千米以上，且差分信号抗干扰能力强[4]；

24V 控制接口：通过连接线缆与遥控端连接，一组24V 供电接口，一组RS485 接口，一组视频信号线；

打磨电机供电接口：通过连接线缆与遥控端连接，为打磨交流有刷电机供电，考虑到抗干扰及安全因素，需要与控制接口分开，单独供电。

2.2 管道机器人遥控端控制系统

遥控器主要实现机器人本体运动指令的下发，并接收机器人本体回传的状态信息及工作图像将其显示在LED 屏上。遥控端的面板示意图如图3 所示。

图3 遥控器的面板示意图

遥控器控制系统共包括如下部分。

电源开关：由西门子型号为5SU9356-1CR20 的漏电保护器作为遥控端控制系统的总控制开关，额定电流20A；

24V 电源：24V，300W 的直流电源为机器人本体（除打磨电机）和遥控端供电，共有3 路输出，分别为机器人本体、遥控器电路、屏幕及视频记录仪供电；

遥控器主控：作为遥控端的最主要部分，负责识别工作人员的操作请求，下发控制指令到机器人本体，并接收机器人的回传信号；

485 通信模块：实现遥控端与机器人本体的通信，RS485 接口具有通信距离长抗干扰的优势；

屏幕供电处理模块：24V 转12V 电源处理模块，由于系统电源为24V，屏幕及视频记录仪所需工作电压为12V，因此需要进行电源转换；

打磨电机控制模块：由固态继电器配合主控下发的控制信号，实现对交流打磨电机的开关控制。

2.3 管道机器人连接装置

连接装置主要指连接电缆和快速连接模块。电缆内包括一组小功率电源线（+24V、GND），一组大功率电源线（+24V、GND），一组通信线（485_A、485_B），一组视频线（视频信号线）。机器人在作业时会拖拉电缆，对电缆的质量要求很高，电缆必须选用耐磨、抗拉伸型号，本方案选用定制拖拽电缆如图4 所示。